【正文】 ?脊 線谷 線 由于采集到的指紋圖像不同區(qū)域深淺不一，如對整幅圖像使用同一閾值進(jìn)行二值分割，會造成大量有用信息的丟失。處理方式如下： 1 。 （ 3）指紋圖像二值化 二值化，就是把灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎紫嚅g的二值圖像，通過設(shè)定一個全局閾值對增強后的指紋圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橛?0、 1兩 種灰度表示， 0代表脊線，為黑象 素，作為前景。 當(dāng) Z小于預(yù)定義的閾值 T3時說明該塊為墨跡很濃，峰和谷被墨跡粘連混淆的區(qū)域應(yīng)去除。第一級分割為白背景區(qū)分割，第二級分割為模糊區(qū)分割，第三級分割為背景區(qū)分割，白背景區(qū)灰度均值很低，而且由于沒有紋線峰和谷的變化，方差也很小，因此白背景區(qū)的判斷采用： (1) 塊灰度均值： 15 1500( 8 , 8 )88ijI i m j nm e an ??? ? ? ?? ??? (2) 塊灰度方差 15 15 200( ( 8 , 8 ) )v a r 88ijI i m j n m e ani anc e ??? ? ? ? ?? ??? 第一級分割的判決為：當(dāng) mean小于預(yù)定義的閾值 T1且 variance也小于預(yù)定義的閾值 T2即同時滿足上述兩個條 件時，該塊為白背景塊，刪除掉。但是對于指紋不連續(xù)、單一灰度等難以正確估計的區(qū)域及中心、三角附近，方向變化劇烈的區(qū)域，方向圖分割則難以取得令人滿意的效果。目前常用的指紋圖像分割的一般方法是：一種是基于圖像灰度特性的灰度均值分割，這種分割容易把有效部分割除掉，而把用力重的模糊不清的區(qū)域保留；另一種是基于灰度方差的閾值分割，這種單一分割方法不適合低對比度的圖像；第三種是基于指紋紋理的方向性，利用方 向圖對指紋圖像進(jìn)行分割。使得原來方差大的點歸一化后幅度更大，反之相反；而灰度值大或者小于均值的點，歸一化后繼續(xù)大或小于期望均值，而且歸一化為點操作，不會改變指紋 的紋理結(jié)構(gòu)。子塊灰度均值和方差的計算按如下公式 ： 111 ( , )wwxyM i I x yww ??? ? ?? （ 1） 2111 [ ( , ) ]wwxyV i I x y M iww????? ?? （ 2） 其中 I（ x， y）為子塊中象素（ x， y）的灰度值，子塊歸一化的目的是調(diào)整均值和方差到一個期望的范圍，如果用 G(i， j)表示（ x， y）點的歸一化后的值，那么第 I個子塊歸一化后灰度值為： 200200( ( , ) ) , ( i j( , )( ( , ) ) ijVar I i j M i IMMViG i jVar I i j M i MMVi? ? ????? ??? ????若 ， ） ；， 若 I( ， ） ； (3) 如果： 200 ( ( , ) )V a r I i j M iMMVi ???，則把灰度值為 200 ( ( , ) )V a r I i j M iM Vi ??全部歸 0作為背景處理，這樣可以有效地去除傳感器表面殘留紋印引入的噪聲。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結(jié)構(gòu)中，所以，通過 歸一化、 二值化和細(xì)化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細(xì)脊線，以便于特征提取。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，以提高特征提取的準(zhǔn)確性。利用此傳感器可以完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。 MBF 200FLASHSDR AMKEYBORDFP GALCDRS 232 圖 1 系統(tǒng)框圖 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性： 傳感器的選擇 目前， 市面上存在很多種類的指紋傳感器 ， 應(yīng)用 最廣泛的 有 光學(xué)、電容、電磁波、壓力、微電機和熱學(xué) 指紋傳感器 。本系統(tǒng)還可利用 RS232 與計算機進(jìn)行通訊，可以方便擴(kuò)展，使得系統(tǒng)可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。 系統(tǒng)操作時首先利用鍵盤選擇指紋存儲模式，將獲得的指紋圖像信息存儲到 FLASH 中作為指紋數(shù)據(jù)庫，然后切換到指紋識別模式 ，再利用上述方法 獲得指紋圖像信息。 由 FPGA 處理采集來的數(shù)據(jù)，由于 FPGA 內(nèi)部存儲空間太小，無法存儲一張完整的指紋圖像，所以將指紋數(shù)據(jù)暫時存儲在 SDRAM 中。同時 本項目重點研究基于 FPGA 的指紋識別系統(tǒng)， 利用 FPGA 高集成度化，低功耗，短開發(fā)周期等優(yōu)點，實現(xiàn)系統(tǒng)的 ASIC，具有 更加 深遠(yuǎn)的意義 和 廣闊的市場商機。這些功能的實現(xiàn)具有非常多的用處。當(dāng)指紋匹配成功時，汽車便按已編程設(shè)定的內(nèi)部參數(shù)來控制后視鏡、汽車座椅、無線基站以及車內(nèi)空氣環(huán)境。不到一秒鐘，電腦將檢測到的指紋模板與存儲的模板進(jìn)行比較，并建立一個與駕駛者相符的相關(guān)設(shè)置。注冊過程十分簡單：每個授權(quán)駕駛的成員將其手指置于傳感器上，并將汽車的各種參數(shù)按個人愛好進(jìn)行設(shè)置，然后將這些設(shè)置存入車載的電腦存儲器中。有了指紋識別后，便無需使用郵箱密碼或個人識別號碼。如果連續(xù)幾次認(rèn)證無法通過，則手機會刪除存儲器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機。手機開機時要求用戶通過一個快速的認(rèn)證過程，用戶將其手指劃過傳感器，如果通過認(rèn)證則授權(quán)使用手機的各項功能。此人則將其右手的第一、二或第三 個手指置于一個與無線 PDA 相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進(jìn)行對比確認(rèn)。 便攜式的指紋識別技術(shù)對我們的生活也具有深遠(yuǎn)的意義。 研究意義 生物識別技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于身份驗證領(lǐng)域。該項目利用嵌入式軟核實現(xiàn)系 統(tǒng)的管理，利用硬件實現(xiàn)識別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識別的正確性。 研究內(nèi)容： 本 系統(tǒng)采用 xilinx 公司 Spartan 3E 系列 FPGA 作為核心控制芯片，通過 富士通公司的 MBF200 指紋傳感器 實現(xiàn) 對指紋圖象 的采集 ， 利用 SPI 接口傳輸?shù)紽PGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，利用內(nèi)嵌的 MicroBlaze 處理器 對指紋圖象進(jìn)行灰度濾波、二值化、二值去噪、細(xì)化等 預(yù)處理，得到清晰的指紋圖象，再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點 并 存入指紋數(shù)據(jù)庫作為建檔模版。而識別算法我們采用美國 FBI推薦的特征點匹配算法來實現(xiàn)指紋的識別，更保證了系統(tǒng)的實現(xiàn)。 本 系統(tǒng)采用 xilinx公司 Spartan 3E系列 FPGA作為核心控制 器件 ，這款 器件 采用 90ns的先進(jìn)工藝 ，最大容量 50萬門， 可支持 32位的 RISC處理器，具有 128 Mbit 并行 Flash， 足以滿足設(shè)計的要求。所以，設(shè)計一套體積比較小、速度更快的嵌入式指紋識別系統(tǒng)是非常有意義的。 同時 人們對消費類產(chǎn)品的要求越來越趨向于小型化，并且對可攜帶設(shè)備的安全性要求也與日俱增。現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)使得我們可以生產(chǎn)出相當(dāng)小的指紋圖像讀取設(shè)備和指紋識別 模塊。 隨著光學(xué)技術(shù)和光學(xué)儀器加工工藝的進(jìn)步 ,各種采集指紋圖案進(jìn)行身份認(rèn)證的系統(tǒng)和設(shè)備中需要配備的高清晰、無畸變光學(xué)采集儀也達(dá)到了很高水平 ,確?？梢陨筛哔|(zhì)量的指紋圖像。 但 隨著計算機的出現(xiàn)及其運算速度的迅速提高 ,使指紋對比鑒定的應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化。指紋識別是生物識別技術(shù)中最為成熟的 , 其唯一性、穩(wěn)定性 , 一直都被視為身份鑒別的可靠手段之一。基于 FPGA 的指紋識別 系統(tǒng) 設(shè)計 第一章 緒論 設(shè)計背景 生物識別技術(shù)是利用人的 勝物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的技術(shù) , 人的指紋就是生物特征之一。此外 , 生物特征還包括虹膜、視網(wǎng)膜、聲音和臉部熱譜圖等。 由于 最早的指紋識別技術(shù)僅僅依靠人工對比，工作效率低下、比對正確率低、對比對人員的要求高， 從而使得指紋識別技術(shù) 無法 得到廣泛 應(yīng)用 。使用計算機 管理指紋數(shù)據(jù)庫 ,極大提高了指紋對比的速度 ,同時由于計算機比對算法的不斷改進(jìn)提高 ,使指紋比對誤識率已降到了 10 6 以下 ,不僅可以滿足刑偵方面的需要 ,而且迅速進(jìn)入了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。計算機運算速度的提高和計算機小型化的進(jìn)展 ,使采用微機甚至單片機也可以進(jìn)行指紋對比運算成為可能。其成本下降得也很快 ,大大加快了指紋識別技術(shù)的推廣速度。傳統(tǒng)的 PC、 MCU、或者 DSP的處理平臺移動性比較差，體積比較大，無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。 而 本設(shè)計 正是為了這一目的， 選用具有高集成度、低功耗、短開發(fā)周期 的FPGA來完成此項設(shè)計 ， 以實現(xiàn)系統(tǒng)的 ASIC為研究背景，具有很強的現(xiàn)實意義和廣闊的市場空間。該項目利用嵌入式軟核實現(xiàn)系統(tǒng)的 管理，利用硬件實現(xiàn)識別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識別的正確性。 課題目標(biāo)和研究內(nèi)容 課題目標(biāo) : 以 FPGA 作為核心控制器件，實現(xiàn)指紋圖像的采集、存儲、處理和比對等，完成對指紋圖像的有效識別。指紋比對時，采用同樣的方法，得到比對模版，然后將比對模版與建檔模版利用指紋識別算法進(jìn)行比對，得出比對結(jié)果。該識別系統(tǒng)可用于門禁、考勤、證件管理等很多方面，具有很廣泛的應(yīng)用前景。指紋因其惟一性、終生不變性和較低的識別成本而成為目前使用最廣泛的生物識別技術(shù)，在罪犯識別、社會保險、電子商務(wù)、信息安全等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，今后警察可在一個犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照。 這種識別技術(shù)對于被盜的手機用戶也有好處。如果不是授權(quán)用戶，手機便繼續(xù)保持鎖住。 在語音郵件的應(yīng)用中，當(dāng)撥出一個語音郵件號碼后，用戶只需將手指劃過傳感器便可令系統(tǒng)識別。 在今后的汽車應(yīng)用中，用戶可輸 入家庭成員指紋樣本，經(jīng)鑒權(quán)才能駕駛。 當(dāng)駕駛者進(jìn)入汽車時，他 /她將手指置于傳感器上，啟動識別過程。指紋模板和匹配軟件保存在汽車內(nèi)的一個嵌入式模塊中。此外，還可控制駕駛速度，如果駕駛者僅為十來歲的孩子，則將速度限制在每小時 55 公里。 可見，指紋識別技術(shù)的應(yīng)用可以使我們的生活更加方便快捷，更加安全。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 硬件框圖及各模塊介紹： 系統(tǒng)采用 xilinx 公司 Spartan－ 3E 系列 FPGA 作為核心 的 控制 和 運算芯片，數(shù)據(jù)采集 模塊由 富士通 公司 的 MBF200 電容式指紋傳感器來完成 ， MBF200 指紋傳感器 可以完成 指紋 圖像 的 采集并 用其 自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器 將指紋圖像轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號， 利用 SPI 接口傳送至 FPGA 進(jìn)行存儲。當(dāng)處理圖像數(shù)據(jù)時， FPGA 通過讀取 SDRAM 的指紋數(shù)據(jù)，并在其邏輯單元中進(jìn)行 濾波、灰度歸一化 、二值化、 細(xì)化和 特征值提取等操作 ，從而獲得重要的指紋圖像信息。通過 FPGA 調(diào)用指紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，尋找與之匹配的指紋信息，最后將比對結(jié)果在 LCD 中顯示。 系統(tǒng)框圖如下圖 1。 而 本系統(tǒng)采用美國富士通公司的MBF200電 容指紋采集傳感器來實現(xiàn)對指紋圖像的采集，該款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS技術(shù)，含有 8位 A/D轉(zhuǎn)換器， 工作 在 ～ 5V的寬電壓范圍 ，能自動檢測是否有指紋到達(dá)傳感器，并實現(xiàn)在線采集，它的最大優(yōu)點是在保證指紋圖像高分辨率 (500dpi)的同時大大減少了傳感器的尺寸。 指紋圖像的預(yù)處理 圖像預(yù)處理的主要步驟包括： 灰度值歸一化、 圖像分割、濾波、 圖像增強、二值化、細(xì)化 等 。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊 線斷裂或脊線模糊等問題，需要進(jìn)行圖像增強（使用濾波技術(shù)）以改善質(zhì)量。 (1) 圖像 歸一化 歸一化處理是對原始指紋灰度圖像上每一象素點的 一種操作，人為改變它的灰度值，消除指紋錄入傳感器表面的殘留噪音 以及手指按壓力差異對指紋圖像的影響，把圖像分為 ww? 的子塊，對于每一子塊求其灰度均值 Mi和 方差 Vi。其中 0M ， 0Var 均為期望的均值和方差， M為實驗后得到的門檻值， ( , )I i j Mi? 為像素點的灰度幅度，經(jīng)比率調(diào)制后，加到期望的均值上。 （ 2）圖像分割 在采集到指紋圖像后，首先要進(jìn)行指紋圖像分割，即把圖像分割為指紋區(qū)與非指紋區(qū)，目的是割除白背景區(qū)和背景區(qū)，保留前景區(qū)，盡可能保留模糊區(qū)中能恢復(fù)的部分，以便后續(xù)處理能夠集中于有效區(qū)域，這不僅能提高特征提取的精確度，還能大大減少指紋預(yù)處理的時間。這種方法的分割效果依賴于所求點方向圖及塊方向圖的可靠性，對圖像灰度的對比度的高低并不敏感。 我們將指紋圖像分為前景區(qū)、背景區(qū)、模糊區(qū)和白背景區(qū)，其中白背景區(qū)是指指紋圖像中不含指紋紋線的邊界區(qū)域，這類區(qū)域也是應(yīng)該包括在割除的區(qū)域，所以 為了能正確劃分這 4類區(qū)域，更準(zhǔn)確地割去白背景區(qū)和背景區(qū)，并保留前景區(qū)和模糊區(qū)中可恢復(fù)的區(qū)域，把整個分割過程分為 3級，分割的基本單元為88? 大小不相交疊的塊。 第二級分割的判決區(qū)域為 1級分割后保留下來的非白背景區(qū)域，其目的是找出模糊區(qū)，其判決方法為：設(shè)定特征量： 1212,ttc o n tr a s tZ c o n tr a s tm e a n n n? ? ?其 中 1n ：表示塊中灰度值大于或等于塊灰度均值的點數(shù)； 2n ：表示塊中灰度小于塊灰度均值的點數(shù)； 1t ：塊中灰度值大于或等于塊灰度均值的所有點灰度之和； 2t ：塊中灰度值小于塊灰度均值的所有點灰度值之和。 第三級分割設(shè)定特征量 1 v a rm e a nc o n tra st ia n c e? ，當(dāng)對比度 contrast1的值小于預(yù)定義的閾值 T時，將其設(shè)定為背景區(qū)域；否則，作為前景區(qū)域，保留其灰度值，以作后續(xù)處理。 1代表 谷線，作為白象素。 ( , )( , ) 0 。 這里我們使用自適應(yīng)局部閾值二值化的思想，既將圖像分割成多個小塊，對每個小塊進(jìn)行分別計算，局部閾值的選取參考局部塊的各個像素，而且選取的閾值應(yīng)盡量使該塊圖像內(nèi)大于該閾值的像素點數(shù)等于小于該閾值的像素點數(shù)，這樣可以使閾值具有自適應(yīng)性，不會使大量有用信息丟失。